Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор методов определения прочности целиков и постановка задач
1.1 Современное состояние горных работ на Жезказганском месторождении 9
1.2 Краткая геологическая характеристика 23
1.3 Обзор методов определения прочности целиков 31
1.4 Оценка существующих методов расчета междукамерных целиков 50
1.5 Исследования напряженного состояния целиков методом разгрузки 57
1.6 Влияние коэффициента формы на несущую способность целика 62
1.7 Влияние соотношения модулей упругости на величину давления 67
1.8 Влияние коэффициента бокового распора на величину давления 68
1.9 Влияние масштабного фактора на прочность массива 69
1.10 Постановка задач 73
2. Установление закономерностей перераспределения горного давления при повторной разработке
2.1. Методика исследований 78
2.2. Закономерности распределения нагрузок между целиками при первичной разработке 84
2.3. Закономерности перераспределения нагрузок между МКЦ в ходе повторной разработки 89
3, Обоснование метода обратного расчета прочности меэ/сдукамерпых целиков
3.1. Метод обратного расчета прочности МКЦ 98
3.2. Обратный расчет прочности МКЦ в панелях 70-71 шх.65 и панели 5 шх. 45 107
3.3. Экспериментальное подтверждение результатов полученных по методу обратного расчета прочности 116
4. Закономерности изменения прочности МКЦ
4.1. Изменение прочности МКЦ в зависимости от их формы 126
4.2. Изменения прочности массива с глубиной 127
Выводы 132
Заключение 13 3
Литер атура 13 5
- Краткая геологическая характеристика
- Закономерности распределения нагрузок между целиками при первичной разработке
- Обратный расчет прочности МКЦ в панелях 70-71 шх.65 и панели 5 шх. 45
- Изменения прочности массива с глубиной
Введение к работе
1 ^
Актуальность темы. Для многих пологопадающих месторождений, разрабатываемых камерно-столбовой системой (Жезказганское, Миргалим-сайское, Печенганикель и др.). через определенный срок эксплуатации встает вопрос об их повторной разработке. Это связано как с исчерпанием балансовых запасов, так и с освоением новых технологий извлечения междукамерных целиков (МКЦ).
С 90-х годов разработка Жезказганского месторождения камерно-столбовой системой сопровождается повторной разработкой, при которой МКЦ извлекаются, а выработанное пространство погашается обрушением налегающей толщи. На практике широкое распространение получила наиболее производительная и дешевая технология извлечения МКЦ из открытого выработанного пространства. Применение данной технологии возможно лишь при исключении опасности возникновения лавинообразного разрушения оставшихся целиков. Для обеспечения безопасности горных работ в открытом выработанном пространстве необходима оценка опасности возникновения цепной реакции разрушения МКЦ еще на стадии проектирования повторной разработки.
При извлечении целиков максимальный прирост нагрузок приходится на целики, граничащие с зоной обрушения. Для безопасного ведения повторной разработки необходимо быть уверенным, что данные МКЦ не будут раздавлены горным давлением. Для оценки устойчивости оставшихся целиков в ходе повторной разработки необходимо иметь методики расчета нагрузок и располагать достоверными данными об их реальной прочности.
Надежным способом определения прочности МКЦ является метод обратного расчета по фактам их разрушения. Данный метод в качестве тестового испытания прочности целиков использует факт их разрушения горным давлением При данном подходе учитываются все влияющие факторы (и
масштабный эффект, и реальная структура трещи новатостн массива, и
И>С. НАЦИОНАЛЬНАЯ I
БИБЛИОТЕКА |
С Петербург I '
ЭМбРК 1
контактные условия, и длительность нагружения, и многие другие). Для этого необходимо знать исходное распределение нагрузок между целиками, оставленными после первичной разработки в выработанном пространстве, так как от этого зависит нагруженность МКЦ в ходе повторной разработки. Если происходит разрушение группы целиков, это означает, что рассчитанные нагрузки на разрушенные МКЦ оказались предельными. Факт разрушения целика известной нагрузкой позволяет найти прочность МКЦ и рудного массива (с учетом коэффициента формы - отношения диаметра целика d к его высоте И). Полученные данные о прочности массива руды используются для оценки устойчивости оставшихся целиков на данном участке с учетом их коэффициента формы d/h.
Таким образом, прочность целика определяется не традиционным методом - умножением прочности руды в образце на ряд ослабляющих коэффициентов, а обратным расчетом нагрузки, при которой целик разрушился, и принятием этой нагрузки в качестве предельной для МКЦ.
Учитывая, что данные вопросы определяют безопасность горных работ при извлечении МКЦ из открытого выработанного пространства, задачу разработки метода обратного расчета прочности целиков по фактам их разрушения следует считать актуальной.
Цель работы: обоснование метода обратного расчета прочности МКЦ, обеспечивающего повышение безопасности повторной разработки из открытого выработанного пространства.
Основная идея работы: повышение безопасности горных работ достигается определением реальной прочности целиков по факту их разрушения и использованием ее для оценки опасности возникновения цепной реакции разрушения последующих междукамерных целиков в панели.
Задачи исследований:
1. Установить закономерности нагруженное МКЦ при разработке пологопадающих рудных залежей камерно-столбовой системой;
-
Установить закономерности перераспределения нагрузок на МКЦ в ходе повторной разработки;
-
Разработать метод обратного расчета прочности МКЦ по факту их разрушения.
Методы исследований: численное моделирование, анализ фактических геомеханических ситуаций, статистическая обработка натурных данных. Научные положения, выносимые на защиту:
-
Средняя нагруженность целиков в панелях изменяется по логарифмическому закону от эквивалентного пролета выработанного пространства и жесткости целиков;
-
При повторной разработке коэффициент концентрации опорного давления на целики, граничащие с зоной обрушения, достигает максимума после погашения половины панели, а величина максимума прямо пропорциональна эквивалентному пролету панели и коэффициенту формы МКЦ;
-
Использование прочности разрушенных целиков, полученной обратным расчетом по фактам их разрушения, позволяет оценить устойчивость оставшихся МКЦ и опасность цепной реакции их разрушения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигнута использованием практических данных в качестве исходных, применением апробированных моделей и методик, статистической обработкой практических и расчетных данных.
Научная новизна работы:
-
Установлена зависимость общей нагруженности МКЦ в панели, отличающаяся учетом соотношения модулей деформаций массивов налегающей толщи и руды, эквивалентного пролета выработанного пространства и жесткости целиков;
-
Установлена зависимость максимального значения коэффициента концентрации опорного давления на МКЦ в ходе повторной разработки от эквивалентного пролета выработанного пространства и формы целиков;
-
Установлена зависимость максимального коэффициента концентрации от отношения модулей деформаций вмещающих пород и руды;
-
Предложен новый метод обратного расчета прочности разрушенных МКЦ, учитывающий их жесткость, места расположения в выработанном пространстве и стадийность разрушения.
Практическое значение работы заключается в создании метода обратного расчета прочности целиков, позволяющего извлечь полезную геомеханическую информацию из фактов их разрушения для более достоверного прогнозирования геомеханических процессов и обеспечения безопасности извлечения оставшихся междукамерных целиков из открытого выработанного пространства с обрушением налегающей толщи.
Реализация работы. Разработанные методы и алгоритмы расчетов нагруженности и прочности МКЦ внедрены на рудниках корпорации «Казахмыс» при повторной разработке Жезказганского месторождения и используются для анализа и прогнозирования геомеханических процессов, для определения условий возникновения цепной реакции разрушения целиков, для решения вопросов о возможности ведения горных работ по извлечению МКЦ из открытого выработанного пространства.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на конференциях: «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 1999 г.), «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века» (г. Москва, 2001 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трех сборниках тезисов докладов и одной статье.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы из 106 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность Г.А. Каткову за помощь в работе, А.Б. Юну за всестороннюю поддержку на всех этапах работы, Д.В.
Мосякину, А.А. Карпикову, принимавших участие в проведении исследований, составлении программ и алгоритмов, позволивших достичь цели данной работы.
Краткая геологическая характеристика
Жезказганское месторождение относится к типу медистых песчаников и представлено залежами вкрапленных руд в пластах серых песчаников, перемежающихся красноцветными терригенными породами (песчаниками, алевролитами, аргиллитами). Непосредственная кровля и подстилающие породы почвы залежей сложены красноцветными, преимущественно тонкозернистыми породами (аргиллиты, алевролиты) или серыми безрудными песчаниками.
Общая мощность рудоносной толщи около 600 м, в которой выделяется 10 рудных горизонтов, 27 слоев (пластов), более 360 рудных тел [108]. В плане рудные тела имеют лентообразную форму, размеры от 100 м до 1200м. Распределение запасов по мощности рудных тел составляет: до 4 м — 33,1%, 4-12 м - 46,8%, 12-20 м - 12,0%, свыше 20 м - 8%. Угол падения залежей не превышает 3-10. Во флексурных зонах угол падения увеличивается до 30-90. На флангах месторождения в Анненском и Акчий-Спасском горных районах углы падения залежей составляют 10-40.
В структурном отношении рассматриваемый район представляет собой юго-западное продолжение Таскудук-Покровской антиклинали. Район пересекают в юго-западном направлении флексуры: Восточно-Крестовская, Центрально-3латоустовская с амплитудами падения до 80-100 м. Промышленное оруденение установлено в серых полимиктовых песчаниках, входящих в состав Жезказганскои рудоносной толщи, и имеет характер замещения цемента и отдельных зерен песчаника рудными материалами, главными из которых являются халькозин, борнит, галенит и сфалерит. Оруденение представлено вкрапленными, полосато-вкрапленными и жильными рудами. Богатые вкрапленные разновидности местами переходят в почти сплошные массивные руды. Переходы от богатых руд к бедным и безрудным песчаникам весьма расплывчаты. Контуры рудных тел определяются по результатам опробования.
Характерная особенность месторождения заключается в многоярусности оруденения: выделяются двадцать шесть слоев серых полимиктовых песчаников, объединенных в девять стратиграфических рудоносных горизонтов. Рудные тела, приуроченные к различным горизонтам, имеют кулисообразно смещенные контуры и образуют зачастую дугообразные зоны. Промышленное оруденение присутствует во всех рудоносных горизонтах, причем каждый из них расчленяется на две-три, иногда и более рудных залежей. Мощность рудных слоев изменяется от 1 до 40 м; породных прослоев, разделяющих залежи, - колеблется от 2 до 95 м. Каждая рудная залежь характеризуется значительными размерами по площади, чередованием в плане участков балансовых и забалансовых руд пластообразной формы. Если рассматривать залежи только в контуре балансовых руд, то они обычно состоят из нескольких обособленных в плане рудных тел. По составу руды месторождения подразделяются на медные (сульфидные, смешанные, окисленные), комплексные (медно-свинцовые, медно-свинцово-цинковые), свинцовые (свинцово-цинковые, цинковые). Доминирующая роль принадлежит медным сульфидным рудам (83% от общих промышленных запасов месторождения). Попутными элементами, представляющими практическое значение, являются свинец, цинк, серебро, рений и сера. Содержание кремнезема в руде 50-70%, поэтому месторождение является силикозоопасным. Небольшое содержание серы (менее 2%) исключает возможность возникновения пожаров.
Падение рудных тел выдержанное пологое под углами, не превышающими 15, при среднем угле падения 8-10. В районе флексурных перегибов угол падения рудных тел колеблется от 40 до 75.
Основными физико-механическими свойствами горных пород, определяющими их устойчивость в обнажениях и целиках и используемыми при проектировании параметров систем разработки и оценке устойчивости выработанных пространств, являются удельный вес, прочность на сжатие, на растяжение, сцепление, угол внутреннего трения, модуль упругости,коэффициент Пуассона. Свойства горных пород в образцах определяются путем испытания кернового материала на прессах в лабораторных условиях по известным методикам. Свойства массива горных пород с учетом ослабляющего влияния трещин определяются с помощью испытаний призм горных пород в местах естественного залегания, а также путем введения коэффициента структурного ослабления массива, установленного при анализе причин разрушения целиков.
Плотность вмещающих пород в массиве колеблется в пределах 2,54-2,6 т/м3, руд (в зависимости от содержания полезного компонента) — в пределах 2,55- 2,8 т/м3. Физико-механические свойства руд и вмещающих пород Жезказганского месторождения хорошо изучены [104]. Основные из них приведены в таблице 1.1.
Для серого рудного песчаника установлена закономерность изменения прочности при одноосном сжатии с ростом глубины залегания (рис. 1.9). В диапазоне глубин 100-М00 м прочность серого рудного песчаника увеличивается в 1,7 раза. Усредненные данные по прочности серых песчаников на разных глубинах приведены в таблице 1.2.
Закономерности распределения нагрузок между целиками при первичной разработке
Распределение нагрузок между МКЦ после первичной разработки залежи имеет весьма большое значение, так как от него зависит характер перераспределения нагрузок в ходе повторной разработки. Исходные (до начала повторной разработки) нагрузки на МКЦ определялись по известной методике К.В. Руппенейта [98]. Результаты расчетов выражены в виде коэффициентов нагрузки, представляющих собой отношение: К„ = N/(yHS), где N - нагрузка на целик; уН — гравитационное давление налегающей толщи с объемным весом /на глубине Н\ S — площадь кровли, поддерживаемая одним МКЦ. Коэффициент нагрузки показывает, какую часть от полного веса налегающей толщи несет данный целик. На рис. 2.4 в качестве примера показано расчетное распределение нагрузок между МКЦ в панели на глубине 300 м, поддерживаемой 6x15 рядов целиков, оставленных по сетке 20x20 м, при равных модулях деформаций руды и вмещающих пород. Обобщенная эпюра нагрузок имеет вид некоторого свода с максимальными значениями в Рис. 2.4. Исходное распределение нагрузок между целиками центре выработанного пространства. МКЦ, примыкающие к границе выработанного пространства, нагружены значительно меньше (на 70% - в середине длины панели, на 30% - в углах). Как показали расчеты, нагруженность МКЦ определяются большим количеством факторов, основными из которых являются: - соотношение модулей деформаций массивов вмещающих пород Е„ и руды Ер; - размеры выработанного пространства в плане, которые удобно представлять в виде эквивалентного пролета Ьэ = a-b/(a2+b2)0,5, где a, b — длина и ширина панели; - форма МКЦ в виде соотношения высоты к диаметру h/d; - жесткость МКЦ G = F/h, где F - площадь поперечного сечения целика. Чтобы проиллюстрировать значение соотношения модулей деформаций вмещающих пород и руды при расчете нагруженности целиков, на рис. 2.5 в логарифмическом масштабе показана зависимость среднего коэффициента нагрузки на МКЦ при соотношениях Е„/Ер, изменяющихся от 0,01 до 100. У пространства. В условиях, когда вмещающая толща имеет существенно более низкие упругие свойства («мягкая» толща), чем руда, средняя нагруженность МКЦ увеличивается до 70 -90%, приближаясь полному весу столба пород до поверхности. Поэтому начинать исследования нагруженности следует с оценки соотношения Е,/Ер для заданных горно-геологических условий. Массив Жезказганского месторождения представлен перемежающимися слоями (примерно, в равных долях) серых рудных и безрудных песчаников и красноцветных пород (красных песчаников, алевролитов, аргиллитов). Модуль деформации красноцветных пород, в среднем, в 2 раза ниже, чем у серых песчаников. Тогда эквивалентный модуль деформации слоистой толщи вмещающих пород по известной формуле Ф.П. Бублика составит 75% от модуля деформации серых песчаников. Поэтому в дальнейших расчетах для Жезказганского месторождения необходимо принимать Е,/Ер = 0,75. В этом случае средняя нагруженность МКЦ при h/d = 0,9 в панели типовых размеров приближается к 60% от давления полного веса пород до поверхности (рис. 2.5). з условия совместности деформаций МКЦ и вмещающих пород следует, что связь коэффициента нагрузки на целики с основными геометрическими параметрами выработанного пространства следует искать в виде: Вопросы, возникающие при повторной разработке, связанные с извлечением ранее оставленных МКЦ, коренным образом отличаются от задач проектирования первичной эксплуатации месторождений. На первый план выдвигается задача определения параметров процесса перераспределения нагрузок между целиками в ходе их извлечения. Решение данной задачи необходимо для того, чтобы избежать главной опасности, существующей при повторной разработке - цепной реакции разрушения МКЦ.
Имея начальное распределение нагрузок между МКЦ после первичной разработки, процессы перераспределения нагрузок в ходе повторной разработки моделировались по методике А.Б. Макарова. В настоящее время повторная разработка Жезказганского месторождения ведется из открытого выработанного пространства с извлечением МКЦ рядами по ширине панели.
При повторной разработке извлечение целиков сопровождается перераспределением опорного давления на оставшиеся МКЦ. Прирост нагрузки выражается коэффициентом концентрации Кк — Nj / N0; где Nj -нагрузка на целик после прироста давления, No - нагрузка на целик до прироста давления.
На рис. 2.10. показано изменение нагрузок на центральные по ширине панели ряды МКЦ в процессе повторной разработки. По мере извлечения целиков нагрузки крайние к зоне обрушения ряды МКЦ увеличиваются, а на удаленные ряды - снижаются.
Обратный расчет прочности МКЦ в панелях 70-71 шх.65 и панели 5 шх. 45
В 2003 г. рассматривался вопрос о возобновлении повторной отработки МКЦ в панелях 70-71 шх.65 Южно-Жезказганского рудника по залежи ПЮЗ-6-1. Расчет по стадиям: Панель 70 отрабатывалась камерно-столбовой системой разработки с 1990 по 1995г., панель 71 - с 1991 по 1997г. (рис. 3.3). Глубина залегания Л 380 м. Общая площадь подработки налегающей толщи - 141,2 тыс.м . Пролеты общего выработанного пространства - 540x280 м, эквивалентный пролет - 250 м. Общее количество целиков в двух панелях - 296 шт. Высоты МКЦ изменяются в пределах 6+15м, площади сечения - 45+250 м2. После первичной разработки панелей камерно-столбовой системой средний запас прочности МКЦ был близок к проектному уровню (в панели 70 - 1,8; в панели 71 - 2,1). Исходное состояние: Результаты расчета сведены в таблицу 3.1. Коэффициенты запаса прочности рассчитаны с использованием следующих данных: прочность руды на сжатие в образце - 205 МПа; коэффициенты: структурного ослабления - 0,62; контактных условий - 0,7; взрывных работ - 0,85; пропластков - 0,9. По данным значениям прочность массива руды составляет 68 МПа. Прорезка БЦ: В 1998 г. барьерный целик между панелями был прорезан. После прорезки БЦ произошло частичное разрушение оставленных частей БЦ. В результате они потеряли свою жесткость, стали податливыми. Это привело к пригрузке прилегающих рядов МКЦ на 20-30% (рис.3.4) и их частичному разрушению. Нагрузка на прорезанные участки БЦ снизилась на 10-15%. Снижение жесткости прорезанных участков БЦ практически не повлияла на нагруженность МКЦ. Максимальная концентрация нагрузок на прилегающие МКЦ не превысила 5% (рис. 3.4). Почему так мало, а в реальности ухудшение есть? Возможно, ответом на этот вопрос является тот факт, что моделирование разрушения ведется в математически точной упругой модели. Рассмотрим таблицу 3.2: В данной таблице (табл. 3.2) приведены результаты моделирования различных стадий отработки БЦ. При 60%-м разрушении коэффициент запаса БЦ близок к 1, что для БЦ является критерием разрушения. Возможно, принимая при моделировании первой стадии отработку БЦ на 50%, мы не полностью освещаем реальную ситуацию, когда на самом деле полуразрушенные БЦ несут далеко не ту нагрузку которая рассчитывается (Кк прорезанных БЦ составляет 0,91), а значительно более низкую, и как следствие соседние МКЦ пригружаются более значительно. Повторная разработка двух рядов МКЦ в панелях 70-71: В октябре 1999г. в панелях 70-71 начата повторная разработка целиков. После извлечения двух рядов МКЦ в восточной части панелей прилегающие ряды МКЦ пригрузились еще на 10-25%. Зона опорного давления на оставшиеся МКЦ в виде коэффициентов концентрации нагрузок показана на рисунках 3.5, 3.6. После извлечения двух рядов МКЦ в феврале 2000г. возникла цепная реакция разрушения МКЦ, которая захватила 90 целиков в обеих панелях. Горные работы были остановлены.
Из результатов расчетов видно, что извлечение двух рядов МКЦ одновременно в двух панелях в конце 1999 г. - начале 2000 г. привело к существенному перераспределению нагрузок между целиками. На ближайший (к отработанным) ряд МКЦ нагрузки увеличились на 10- 26%. Причем больший прирост наблюдался в панели 71, где было извлечено больше целиков. Зона значительной пригрузки целиков распространилась по длине панелей на 6-7 рядов МКЦ. 111
В апреле 2001 г. в восточных частях панелей, где развилась цепная реакция разрушения целиков, произошло обрушение кровли на площади около 40 тыс.м2. Весьма характерны два момента: контур зоны обрушения кровли (см. рис.3.3) практически совпадает с границей распространения зоны опорного давления (рис.3.5, 3.6) после извлечения двух рядов МКЦ; цепная реакция разрушения захватила те ряды МКЦ, где была произведена прорезка барьерного целика; на ту часть выработанного пространства, где барьерный целик между панелями 70 и 71 не подрабатывался, цепная реакция разрушения МКЦ не распространилась (см. рис.3.3). Результаты расчетов: 1. После первичной разработки панелей камерно-столбовой системой запас прочности МКЦ был близок к проектному уровню (в панели 70: средний запас прочности МКЦ- 1,8; в панели 71: средний -2,1). 2. После прорезки БЦ произошло частичное разрушение оставленных частей БЦ в интервале разрезов XX-XIII. В результате они потеряли свою жесткость, стали податливыми. Это привело к пригрузке прилегающих рядов МКЦ на 20-30% их частичному разрушению. 3. После извлечения двух рядов МКЦ в начале повторной разработки прилегающие ряды МКЦ пригрузились на 10-25%, после чего возникла цепная реакция разрушения целиков в обеих панелях. По факту разрушения МКЦ произведен обратный расчет их прочности. Прочность массива руды в отдельных целиках колеблется от 50 МПа до 80 МПа, составляя в среднем 65 МПа. 4. Целики, на которых остановилась цепная реакция разрушения, в настоящее время имеют запас прочности, близкий к единице (средний 1,09). Это характеризует их состояние, как близкое к предельному. 5. Попытки возобновить повторную разработку в панели 71 моделировались в двух вариантах. В первом случае — продолжая погашение МКЦ от существующей зоны обрушения, во втором варианте - отступив на восток на два ряда, начиная с ряда МКЦ№ 98-102. Расчет устойчивости МКЦ по первому варианту показал, что при возобновлении повторной разработки возникает цепная реакция разрушения МКЦ, которая распространяется на 4 ряда целиков. Возобновление повторной разработки по второму варианту вызывает разрушение двух оставленных рядов МКЦ (№ 86-90 и № 93-97) после отработки двух рядов (№ 98-102 и № 105-109). Это приведет к внезапной посадке кровли на протяжении четырех рядов МКЦ на площади порядка 10 тыс.м2 с воздушным ударом. Таким образом, возобновление повторной разработки в п.71 при любом варианте отработки вызовет цепную реакцию разрушения МКЦ в панели, в следствии чего нарушится текущее устойчивое состояние налегающих пород «моста» с возможным выходом обрушения панелей 70-71 на вышележащую залежь в панель Ю-3 и далее до поверхности. Заключение: На основании вышеизложенного и наличия на поверхности железной дороги и коммуникаций считаем возобновление повторной отработки МКЦ в панели 71 невозможным. Панель 5 гор.235 м шх.45 Южпо-Жезказгаиского рудника по залежи ПЮЗ-9-1 отрабатывалась в 1973-78 гг. камерно-столбовой системой. Глубина горных работ — 170+204 м. Пролеты выработанного пространства -130x560 м, эквивалентный пролет - 127 м. Выемочные мощности изменяются от 6 м до 18 м. Панель 5 снизу полностью перекрыта панелью 11 гор. 220 м по ПЮЗ-8-1. Мощность междупластья — 20-Т-25 м. Над восточной частью панели 5 расположены выработанные пространства панели 12 бис по ПЮЗ-9-ІІ и панели 12 по ПЮЗ-9-ІП. Мощности междупластий - 7+11 м. Панель 5 на севере граничит через барьерный целик с обрушенной панелью 4. В 1999 г. проводились работы по прорезке БЦ между панелями 4-5 и 5-6. После начала повторной разработки и последующего обрушения соседней панели 4 в панели 5 начались процессы разрушения МКЦ в ее западной части. Первая группа из трех полностью разрушенных МКЦ появилась в западной части панели в 1999 г. В начале 2000 г. количество полностью разрушенных МКЦ увеличилось до 9. После этого произошло обрушение кровли на площади 2,8 тыс.м2. В апреле 2001 г. повторная разработка панели 5 начата с отбойки девяти МКЦ от зоны обрушения кровли к западной границе панели. Начало повторной разработки инициировало цепную реакцию разрушения еще семи целиков. Зона обрушения кровли расширилась до западной границы панели. В мае 2001 г. повторную разработку панели 5 стали вести от зоны обрушения кровли на восток. На 18.06.01 г. было отработано 39 целиков, а два МКЦ были раздавлены. После этого горные работы по повторной разработке были остановлены из-за ухудшения геомеханической обстановки в восточной части панели. По результатам обследования от 31.01.03 г. на севере оставшейся не погашенной части панели 5 ослаблена частичным разрушением большой группы целиков: десять МКЦ имеют третью категорию разрушения (более 30%); восемь МКЦ разрушены до второй категории (до 30%), а 20 целиков имеют начальные признаки разрушения (первая категория -до 10%). Для определения возможности возобновления повторной разработки панели 5 проведено численное моделирование устойчивости МКЦ по следующим стадиям развития горных работ и геомеханических процессов: 1 стадия — начальное состояние панели; 2 стадия — разрушение первой группы из 3 МКЦ; 3 стадия — развитие цепной реакции разрушения еще на 6 МКЦ; 4 стадия — начало повторной разработки в западной части панели; 5 стадия — развитие цепной реакции разрушения еще на 7 целиков; 6 стадия — повторная разработка на восток от зоны обрушения. По результатам моделирования произведен обратный расчет прочности разрушенных МКЦ и массива руды. По результатам обратного
Изменения прочности массива с глубиной
Используя метод обратного расчета, основанную на современных программных средствах расчета нагруженности МКЦ, была получена база данных о реальной длительной прочности целиков. На рис. 4.1 показаны значения длительной прочности почти 500 целиков в панелях, где происходила цепная реакция их разрушения, в зависимости от их формы - соотношения высоты h и диаметра d. В таблице 4.1. данные представлены в табличном виде. Полученные данные иллюстрируют реальное проявление фактора формы целиков в натурных условиях. Напомним, что несущая способность конструкции (МКЦ) зависит от соотношения h/d. Чем больше соотношение h/d, тем ниже прочность. Данную зависимость двух величин называют обратной. В расчетах целиков при проектировании данный фактор учитывается коэффициентомформы: Кф = I/(h/d) = d/h. Большой разброс реальных данных отображает многообразие нарушенности МКЦ различными ослабляющими факторами (факторы трещиноватости, пропластков, контактов), различие в их размерах (масштабный фактор), различие в длительности нагружения от первых лет до нескольких десятилетий (фактор времени).
Прочность массива является одним из определяющих факторов, влияющих на проектируемые размеры оставляемых целиков в выработанном пространстве. От параметров МКЦ зависят потери руды и безопасность ведения горных работ. Неправильное определение прочности массива ведет к дополнительным материальным затратам. Заниженное значение прочности массива ведет к увеличению параметров целиков, и следовательно к увеличению потерь руды. Завышенное значение прочности массива может привести к разрушению МКЦ, травматизму людей и аварии на шахте.
Традиционный расчет прочности междукамерных целиков производится по формуле (TM= juKwKripKfMpKK-d(h, где ег0- прочность руды в образце, Kw-коэффициент трещиноватости, Клр- коэффициент, учитывающий влияние слабых прослоев, К„р- коэффициент, учитывающий влияние буровзрывныхработ, кк- коэффициент, характеризующий влияние контактных условий на прочность целика, dfh — коэффициент формы.
Прочность руды в образцах (рис. 4.2) по данным лабораторных испытаний изменяется в больших пределах (от 88 до 365 МПа).
В действующей инструкции по расчету целиков [103], используемой для проектирования первичной разработки залежей камерно-столбовой системой, значения коэффициентов, влияющих на несущую способность целиков, определяются по геологическим данным для двух типов горно-геологических условий (ГГУ): простые и сложные. В таблице 4.2 приведены некоторые коэффициенты, принимаемые для расчетов в различных горно-геологических условиях.
Как видно из таблицы 4.2 разброс значений коэффициентов весьма велик. Большие разбросы возможных значений каждого из компонентов формулы приводят к большой неточности определения прочности целика. Кроме того, не учитывается масштабный эффект и влияние фактора времени на прочность МКЦ. В результате большого расхождения рассчитанных и реальных значений прочности МКЦ происходят непредвиденные разрушения целиков, образование ослабленных участков и внезапные обрушения в ходе повторной разработки.
Поэтому для более точного определения прочности МКЦ использовался метод обратного расчета прочности МКЦ, которая учитывает эти факторы.Факт разрушения целика означает, что нагрузка на него достигла его несущей способности. Рассчитанная прочность целика, при которой наступило его разрушение, и принимается как предельная. При этом не требуется знать в отдельности прочность массива в образце и остальные коэффициенты, а также учитывается фактор длительного нагружения целиков в течение десятилетий.
Имея практические данные о прочности разрушенных целиков, получены обратным расчетом по факту их разрушения, можно прогнозировать дальнейшее развитие геомеханических процессов, в частности, при возобновлении работ по повторной разработке данных панелей.
Рассчитанная по факту разрушения МКЦ в панелях 70-71 прочность массива руды в отдельных целиках колеблется от 50 МПа до 80 МПа, составляя в среднем 65 МПа. Новые расчетные коэффициенты запаса прочности оставшихся целиков хорошо согласуются с данными визуального обследования (рис. 4.3). МКЦ, сохраняющие Степень разрушения МКЦ устойчивость (без признаков разрушения) имеют сред-ний запас прочности 1,72. Целики с признаками разрушения (1 категория) по результатам расчетов имеют в среднем К3 = 1,26. Частично разрушенные МКЦ (2 категория) имеют запас Рис 4.3.. Расчетные средние прочности чуть выше I. Целики, запаса прочности МКЦ при способность (3 категория), - меньше 1 (0,96). Глубина расположения целиков на Жезказганском месторождении изменяется от 70 м до 410 м. Лабораторными испытаниями образцов установлено, что прочность руды с глубиной увеличивается. А наблюдениями в шахтах отмечается снижение структурной нарушенности массива трещинами с понижением горных работ. Следовательно, прочность трещиноватого массива руды с глубиной должна увеличиваться. По методу обратного расчета прочности целиков произведен обратный расчет прочности разрушенных МКЦ и массива руды в шести панелях 70-71, 54 бис, 56, 57 бис шх. 65; 5, 9а шх. 45. Разрушения целиков в панелях инициировались началом повторной разработки. Получив значения прочности каждого целика можно определить прочность массива горных пород, используя формулу:
